CN104515482B - 白光干涉仪干涉条纹展宽方法 - Google Patents

Abstract

白光干涉仪干涉条纹展宽方法，涉及光学检测领域中的一种干涉条纹展宽方法。本发明的目的在于提供一种白光干涉仪的自动条纹展宽方法，在提高测量效率的同时，降低操作难度与工作量。该方法实施步骤为：首先调节白光干涉仪至条纹出现在屏幕中心处；然后计算屏幕四个子区域的条纹强度；计算两个条纹较强子区域的条纹方向；通过两区域中心沿各自条纹方向作虚拟直线并计算交点屏幕坐标；将该屏幕坐标转换为实际位置偏移，并根据元件曲率半径控制镜头摆动角度；重复以上过程直至条纹满足测量要求。本方法采用图像处理技术，不需外加传感器，计算简单，调节周期短，对于一般情况条纹，经过3～5次调节即可满足测量要求。

Description

白光干涉仪干涉条纹展宽方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种白光干涉仪干涉条纹展宽方法。

背景技术

光学元件表面粗糙度通常采用白光干涉仪来检测。但由于白光干涉仪的检测范围很小，通常在一平方毫米左右，所以为了获得更为真实的光学表面粗糙度信息，通常在表面取多个采样点进行平均处理，并作为最终表面的粗糙度检测结果。

这样一来，每个表面均需测量十几至几十个采样点，若测量表面为曲面(球面、非球面、自由曲面)时，每个点都需完成对位、条纹展宽、多次测量等环节，从而造成光学表面粗糙度的测量效率低下。

在这其中，干涉条纹展宽是非常重要的一个环节。通常在白光干涉仪中，条纹展宽是由手动调节来完成的。检测者通过观察干涉条纹的形状、密度、位置等条纹信息，然后手动调节载物台的二维倾角(针对载物台倾斜式白光干涉仪)或镜头的摆动角度(针对物镜倾斜式白光干涉仪)，从而逐渐将条纹展宽并调节至零条纹后测量。但这一过程不仅耗时较长，且严重依赖于检测者的操作经验。对于初学者来说，该操作非常繁琐，往往难以将条纹在两个方向完全对中。即使对于熟练的操作者来说，在一个表面完成几十次条纹展宽也是巨大的工作量，且条纹展宽过程中，需时刻关注于条纹的变化，容易造成眼睛不适。

发明内容

本发明为解决现有干涉条纹展宽方法通常手动调节，存在调节过程繁琐，且工作量大以及引起眼睛不适等问题，提供一种白光干涉仪干涉条纹展宽方法。

白光干涉仪干涉条纹展宽方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整白光干涉仪镜头与被测光学元件表面之间的距离和角度，使干涉条纹呈现于屏幕上；

步骤二、将屏幕均匀划分为四个区域，分别计算每个区域的条纹强度；

步骤三、设定步骤二中获得条纹强度的阈值，判断是否存在两个或两个以上区域的条纹强度超过所述阈值，如果否，则提示条纹强度过低，并返回步骤一；如果是，则执行步骤四；

步骤四、求取条纹强度最高的两个区域的条纹方向，并以所述两个区域的中心分别作为对应区域的参考点，通过对两个参考点分别沿条纹方向作直线，获得两直线交点的屏幕坐标；

步骤五、判断步骤四获得的两直线交点的屏幕坐标与屏幕中心的距离是否小于预定值，如果否，则计算白光干涉仪镜头需要调整的角度，并进行角度调整，返回步骤二；如果是，则确定条纹展宽满足要求。

本发明的有益效果：本发明针对白光干涉仪的条纹展宽过程，采用了图像处理方法，计算干涉条纹的相关参数，并通过调节镜头的二维摆角来实现条纹的自动展宽。这一过程摆脱了操作者的使用经验，大大提高的条纹展宽的效率与稳定性，同时也降低了仪器的使用难度与工作量，更合适操作者长时间操作。

具体实施方式

具体实施方式一、白光干涉仪干涉条纹展宽方法，该方法由以下步骤实现：

一、采用白光干涉仪测量球面的表面粗糙度。

1、首先确定被测点位置，然后调节白光干涉仪镜头与被测表面之间的距离和角度，使干涉条纹呈现于屏幕并尽量处于中间位置。

2、然后将屏幕均匀划分为左上、左下、右上、右下四个方形区域，并获得各个子区域的灰度图。针对各区域的灰度图作如下运算：

a)以该区域任意一点为例：其坐标为(x，y)，则其附近8个点的坐标，并以其中右侧点作为起始点，沿逆时针方向分别为：(x+1，y)，(x+1，y-1)，(x，y-1)，(x-1，y-1)，(x-1，y)，(x-1，y+1)，(x，y+1)，(x+1，y+1)，则该点沿0°，45°，90°，135°四个方向的灰度方差为：

d₀(x，y)＝[I(x-1，y)-I(x+1，y)]²

d₄₅(x，y)＝[I(x-1，y+1)-I(x+1，y-1)]²×0.5

d₉₀(x，y)＝[I(x，y-1)-I(x，y+1)]²

d₁₃₅(x，y)＝[I(x-1，y-1)-I(x+1，y+1)]²×0.5

其中I(x，y)代表(x，y)点处的灰度。

b)计算区域内各点沿上述四个方向的方差之和，可以以每行为单位进行搜索累加。则整个区域沿0°,45°,90°,135°四个方向的灰度方差为：

其中S代表所要计算的区域。

c)则该区域的条纹强度为：C(x，y)＝(D₀-D₉₀)²+(D₄₅-D₁₃₅)²；

3、设定条纹强度阈值，若存在两个或两个以上区域条纹强度超过该阈值，则选出条纹强度最高的两个区域，转至步骤4；若不存在两个或两个以上区域条纹强度超过该阈值，则提示条纹强度过低，并返回步骤1，调节镜头与表面之间的距离，使得条纹靠近屏幕的中心。

4、记录下步骤3中条纹强度最高的两区域，设为A区域，B区域。分别在A、B区域内计算两子区域内的条纹方向，条纹方向的计算方法如下：

其中D₀，D₄₅，D₉₀，D₁₃₅在步骤2中已经计算得到，此处已不需重新计算。

这样可获得A、B区域的条纹方向分别为：θ_A，θ_B。设A、B方形区域的中心点为M、N，则过M点做方向为θ_A的虚拟直线，过N点做方向为θ_B的虚拟直线，则可通过初等几何计算出两直线交点相对于屏幕中心位置的屏幕坐标(P_x，P_y)。

5、判断该交点的屏幕坐标(P_x，P_y)，若该交点到屏幕中心的距离小于设定值，则可认为条纹展宽工作已结束。若该交点到屏幕中心的距离大于设定值，则根据以下步骤调节：

A、根据屏幕水平方向的像素长度L及白光干涉仪测量的水平方向实际长度l，获得单位屏幕像素对应光学元件表面的实际距离为：该参数在相同物镜条件下为常数，可事先计算并存储于程序之中。

B、以屏幕中心为坐标原点，记录两直线交点的屏幕坐标(P_x，P_y)，并计算该交点屏幕坐标所对应元件表面的实际距离为：R_x＝kP_x，R_y＝kP_y

C、根据被测光学元件的曲率半径r，获得白光干涉仪镜头沿A、B轴的摆动角度为：

6、向白光干涉仪控制***发出控制指令，使得镜头分别沿A、B轴摆动 并返回步骤1，继续判断条纹是否已调节到位。所述A、B轴为分别绕X、Y轴旋转的旋转轴，其方向符合右手定则。

本实施方式所述的方法计算简单，调节周期较短，对于一般情况的条纹，经过3～5次调节即可满足测量要求。

Claims (5)

1.白光干涉仪干涉条纹的展宽方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、调整白光干涉仪镜头与被测光学元件表面之间的距离和角度，使干涉条纹呈现于屏幕上；

步骤二、将屏幕均匀划分为四个区域，分别计算每个区域的条纹强度；

步骤三、设定步骤二中获得条纹强度的阈值，判断是否存在两个或两个以上区域的条纹强度超过所述阈值，如果否，则提示条纹强度过低，并返回步骤一；如果是，则执行步骤四；

步骤四、求取条纹强度最高的两个区域的条纹方向，并以所述两个区域的中心分别作为对应区域的参考点，通过对两个参考点分别沿条纹方向作直线，获得两直线交点的屏幕坐标；

步骤五、判断步骤四获得的两直线交点的屏幕坐标与屏幕中心的距离是否小于预定值，如果否，则计算白光干涉仪镜头需要调整的角度，并进行角度调整，返回步骤二；如果是，则确定条纹展宽满足要求。

2.根据权利要求1所述的白光干涉仪干涉条纹展宽方法，其特征在于，所述的步骤二中将屏幕均匀划分为四个区域，具体为沿屏幕中心作水平、竖直两条直线，将屏幕划分为左上、左下、右上、右下四个方形区域。

3.根据权利要求1或2所述的白光干涉仪干涉条纹展宽方法，其特征在于，所述的步骤二中条纹强度计算方法，具体由以下步骤实现：

步骤二一、设定四个区域中的任意区域的任意一点坐标为(x，y)，则该点附近八个点的坐标，并以其中右侧点作为起始点，沿逆时针方向分别为：(x+1，y)，(x+1，y-1)，(x，y-1)，(x-1，y-1)，(x-1，y)，(x-1，y+1)，(x，y+1)，(x+1，y+1)，则该点沿0°，45°，90°，135°四个方向的灰度方差为：

d₀(x，y)＝[I(x-1，y)-I(x+1，y)]²

d₄₅(x，y)＝[I(x-1，y+1)-I(x+1，y-1)]²×0.5

d₉₀(x，y)＝[I(x，y-1)-I(x，y+1)]²

d₁₃₅(x，y)＝[I(x-1，y-1)-I(x+1，y+1)]²×0.5

步骤二二、计算步骤二一所述区域沿0°，45°，90°和135°四个方向的灰度方差，用公式表示为：

$D_{angle}\left(x,y\right)=\underset{\left(x,y\right)\∈S}{\Σ}{d}_{angle}(x,y)$

其中，angle为0°，45°，90°或135°，该区域条纹强度C(x,y)为：C(x，y)＝(D₀-D₉₀)2+(D₄₅-D₁₃₅)2，I(x，y)代表(x,y)点处的灰度，S代表所要计算的区域。

4.根据权利要求3所述的白光干涉仪干涉条纹展宽方法，其特征在于，所述的步骤四中条纹方向的计算方法，具体为：

5.根据权利要求1所述的白光干涉仪干涉条纹展宽方法，其特征在于，所述的步骤五计算白光干涉仪镜头需要调整的角度，具体过程为：

步骤五一、根据屏幕水平方向的像素长度L及白光干涉仪测量的水平方向实际长度l，获得单位屏幕像素对应光学元件表面的实际距离为：

步骤五二、以屏幕中心为坐标原点，记录两直线交点的屏幕坐标(P_x，P_y)，并计算该交点屏幕坐标所对应元件表面的实际距离为：R_x＝kP_x，P_y＝kP_y

步骤五三、根据被测光学元件的曲率半径r，获得白光干涉仪镜头沿A、B轴的摆动角度为：